點焊機器人電極修磨淺析

汪飛，毛建華，葉少劍，林讀超，田永強

1.廣汽乘用車(杭州)有限公司，浙江杭州 310000；2.廣汽乘用車有限公司宜昌分公司，湖北宜昌 443000

0 引言

電阻點焊因其生產效率高、成本低、易于實現自動化等優點被廣泛應用于車身制造中，焊接過程是由動、靜臂兩端電極加壓通電使金屬板材局部熔化，重新凝固結晶形成焊核[1]。當電極焊接一定次數后會堆積較厚合金層及氧化物、表面凹凸變形，導電性變差影響焊接品質。此時可以通過增大電流和修磨兩種方法繼續保證焊接品質，前者增大電流不修磨，在焊接一定數量之前無影響，但是焊接一定數量后焊點品質明顯下降，并且不斷惡化，從而無法滿足標準要求。

隨著提高車身防腐性能和輕量化的世界發展潮流，鍍鋅板與熱成型鋼越來越多使用于車身裝焊中，這些材料表面帶有涂層，相比于傳統的冷軋鋼板，可焊性差且對修磨品質更敏感更嚴格。在電阻點焊高溫高壓環境下，涂層熔化與電極發生化學反應，繼而滲入電極中，并在電極端面堆積，經多次堆積后，電極將被堆積層覆蓋，最終損壞電極，甚至可能引起電極斷裂。有些合金層會從電極上剝落，粘在金屬板上，因而造成車身表面缺陷。盡管合金層會掉落一部分，但是大部分仍然粘在電極端面上，導致通過的電流減小，使得焊接條件變差,甚至形成冷焊。升高電流的方法對電極不利，因為更大的電流會使電極端部變軟，促使鍍鋅材料在電極上擴散更多，導致電極端面上堆積物更厚。因此必須采取一些措施清潔電極端面,保持良好的焊接條件。

采用周期性修磨方法時，焊接第一個點和最后一個點品質差別不大。由于經過周期性修磨之后，電極表面恢復了原來的形狀和平整度，因此焊接品質可以一直保持下去，節約成本延長了設備使用壽命，現在大部分主機廠選擇第二種方法保證焊點品質[2]。電極修磨的最大作用是通過研磨電極面，清理鍍鋅鋼材焊接過程中堆積在電極面上的合金層，還原電極面形狀，從而延長電極使用壽命。這是目前最有效最便捷的電極管理方案。電阻焊焊接的質量和經濟效益均取決于電極使用壽命能否延長。

1 機器人電極修磨要點

電極修磨主要是對焊接生產中磨損的電極帽進行打磨使其恢復原來的形狀、尺寸并去除氧化物。目前主機廠使用比較多的是某品牌生產的CDK-R型和CDKR-PDW-AI-400型修磨機,如圖1所示。CDK-R型修磨機的工作原理為：上下電極移動到刀具兩側，合槍加壓，同時刀具高速運轉一定時間，壓堆變形和氧化物被清理;CDKR-PDW-AI-400型即擺臂型修磨機，是用于固定焊鉗的在線修磨設備，當焊槍需要修磨時擺臂擺動至與電極同心位置對電極進行修磨，完成修磨后擺臂返回原位。使用配套的KTW系列刀片，當修磨壓力為1 078～1 470 N時可完成修磨;當壓力小于1 078 N時，修磨量少，影響修磨效果;當壓力大于1 470時，鑒于電極帽形狀可能導致修磨機停機，或者導致刀片以及夾具損壞，上下電極由于焊接與修磨造成長度的變化，浮動裝置可以調整修磨本體的位置保持上下電極能同時進行修磨。

圖1 修磨機示意

選擇合適的修磨參數是保證修磨品質和延長刀片使用壽命的關鍵因素。圖2顯示的是未使用的電極帽在1 s內的修磨量，通過加壓力的調整，若希望在1 s內修磨0.1 mm時，加壓力設置為1 078 N；通過修磨時間調整，若希望在加壓力1 470 N下修磨0.1 mm時，修磨時間設置為0.7 s左右。上述切削時間為初期設定的基準，在使用時發現修磨不徹底或電極消耗過快等情況下，可以根據電極的實際情況選擇合適的修磨條件，通常生產200～300點后對電極修磨1～2 s。其中電極帽材質為CUCR;電極帽形狀為先端形狀φ6～8 mm，外徑φ16 mm;使用刀片為KTW-12T;修磨機回轉速為272 r/min。

圖2 加壓力與修磨量的變化曲線

2 機器人電極修磨異常現象

2.1 塞屑

機器人電極修磨時，動、靜臂電極同時在兩側刀刃處進行修磨，此時會產生大量的銅屑，而排屑孔又被兩端電極帽擋住，修磨完成后，刀刃處還有殘余的銅屑[1]，如圖3所示。因此，每次修磨后都需要通過吹氣裝置清理刀具，防止堵塞，保證修磨品質。當吹氣裝置偏離刀具時，不能有效清理銅屑等雜物，使得下次修磨時電極表面修不干凈，或者表面殘留銅屑，會造成焊點表面不平整，嚴重情況下會產生虛焊不良。因此，應定期檢查吹氣管是否對準刀具中心以及吹氣裝置的有效性。

圖3 塞屑示意

2.2 刀片磨損

刀片屬于易損件，具有一定的壽命，隨著修磨次數的增加，刀刃處會產生磨損現象(圖4)，使得電極表面氧化物未清理干凈。尤其對于現在高自動化率生產線而言，刀片磨損往往會造成批量性的虛焊不良。隨著汽車防腐性能和輕量化要求越來越高，鍍鋅鋼板越來越多應用于車身制造中，在焊接過程中電極與鋅層反應生成銅鋅合金(表1)，大大降低了導電性能，及時將合金層清除干凈對保證焊點品質至關重要，應定期更換刀片，檢查修磨效果[3]。刀片使用壽命除了和焊接板材及環境有關，刀片材料是影響其壽命的最主要因素之一，目前制作材料主要有硬質合金鋼、高速鋼+涂層，前者壽命較長。

圖4 刀片磨損示意

表1 銅鋅合金化學成分單位:%

2.3 電極修偏

電極修偏常常使電極表面產生凸點或殘留氧化層，此狀態電極會造成虛焊、氣孔等不良，電極修偏示意如圖5所示。

圖5 電極修偏示意

電極修偏主要產生原因如下：

(1)焊槍上、下電極不同心；

(2)電極與刀具不同心，即修磨姿態異常。此時應調整焊槍的上、下電極使之同心，對擺臂進行調整，使電極與刀具同心誤差小于0.3 mm。

2.4 電極與刀片不匹配

由于車身焊接環境不一致，所以需要設計不同形狀和大小的電極來滿足裝焊要求，以某車間為例，電極種類多達十幾種。因此，需要根據不同的電極設計其相匹配的刀片和刀架，否則會產生修磨掉帽、修磨不良等缺陷。如圖6所示，首次修磨時電極與刀片不匹配，電極端面和刀片有2 mm間隙，自動修磨時電極端面未修到，如圖7所示。而且刀片和刀架在高速運轉與電極相互受力，產生修磨掉帽現象，導致停線嚴重影響生產開動率。

圖6 電極與刀片不匹配示意

圖7 電極修磨不良示意

3 結束語

在高效自動生產線中，電極修磨不良是造成虛焊等不良缺陷的主要因素，選取合適的修磨參數,并根據不同修磨不良現象查找原因，對保證焊點品質、延長刀片使用壽命、節約電極成本具有重要意義。